DE3838011C2 - Markierelement und Verfahren zur Erzeugung von Bildern der Anatomie - Google Patents

Description

Diagnostische Verfahren, die einem Kliniker bei seiner Berufsausübung gestatten, sehr genaue Ansichten des anato­ mischen Aufbaus eines menschlichen Körpers zu erhalten, haben sich sowohl für den Patienten als auch für den Arzt als hilfreich erwiesen. Abbildungssysteme, die Quer­ schnittsansichten zur Verfügung stellen, beispielsweise computertomographie-(CT-)Röntgenabbildungsgeräte oder kernmagnetische Resonanzgeräte (NMR) haben die Möglichkeit zur Verfügung gestellt, die visuelle Darstellung des anatomischen Aufbaus des menschlichen Körpers ohne eine Operation oder andere invasive Verfahren zur Verfügung zu stellen. Der Patient kann Abtastverfahren derartiger Abbildungssysteme ausgesetzt werden, und der Aufbau der Anatomie des Patienten kann in einer Form reproduziert werden, die die Beurteilung durch einen ausgebildeten Arzt gestattet.

Ein in derartigen Verfahren genügend geschulter Arzt kann die Bilder der Anatomie des Patienten bewerten und feststellen, ob Abnormitäten vorliegen. Eine Abnormität in Form eines Tumors erscheint auf dem Bild als eine Form, die einen unterscheidbaren Kontrast zu dem umgebenden Bereich aufweist. Der Kontrastunterschied entsteht aufgrund des Tumors, der unterschiedliche Abbildungseigenschaften aufweist als das umgebende Körpergewebe. Darüber hinaus taucht die kontrastierende Form, die den Tumor darstellt, an einem Ort auf dem Bild auf, an dem eine derartige Form normalerweise in bezug auf ein entsprechendes Bild eines gesunden Menschen nicht auftauchen würde.

Nachdem ein Tumor identifiziert wurde, werden verschiedene Behandlungsmethoden eingesetzt, um den Tumor zu entfernen oder zu zerstören, einschließlich Chemotherapie, Bestrah­ lungstherapie und Operation. Wenn die Chemotherapie ausge­ wählt wird, so werden Medikamente in den Körper des Pa­ tienten eingegeben, um den Tumor zu zerstören. Im Verlaufe der Behandlung werden Abbildungsgeräte üblicherweise verwendet, um den Verlauf der Behandlung dadurch zu verfol­ gen, daß der Patient periodisch abgetastet wird, und die erhaltenen Abbildungen im Verlauf der Behandlung verglichen werden, um irgendwelche Änderungen der Tumor­ anordnungen festzustellen.

Bei der Bestrahlungstherapie werden die von dem Abbildungs­ gerät erzeugten Bilder des Tumors durch einen Radiologen verwendet, um das Bestrahlungsgerät einzustellen und die Strahlung allein auf den Tumor zu richten, während nachteilige Wirkungen auf gesundes umgebendes Gewebe minimalisiert oder ausgeschaltet werden. Im Verlauf der Bestrahlungsbehandlung wird ebenfalls das Abbildungssystem verwendet, um den Fortschritt des Patienten auf dieselbe Weise wie voranstehend in bezug auf die Chemotherapie geschildert zu verfolgen.

Wenn eine Operation zur Entfernung eines Tumors eingesetzt wird, so können die Bilder des Tumors im Patienten den Chirurgen während der Operation führen. Durch Beurteilung der Bilder vor der Operation kann der Chirurg die beste Vorgehensweise zum Erreichen und Entfernen des Tumors festlegen. Nach Durchführung der Operation wird eine weitere Abtastung vorgenommen, um den Erfolg der Operation und den weiteren Fortschritt der Heilung des Patienten zu beurteilen.

Ein bei den voranstehend beschriebenen Abtastverfahren auftretendes Problem ist die Unfähigkeit, den Querschnitt desselben anatomischen Bereiches auszuwählen und genau zu vergleichen bei Bildern, die durch Abbildungsgeräte zu unterschiedlichen Zeiten erhalten wurden, oder bei Bildern, die im wesentlichen zur selben Zeit unter Ver­ wendung unterschiedlicher Abbildungsbedingungen erhalten wurden, beispielsweise durch CT und MRI. Die Ungenauigkeit des Bildvergleichs wird deutlicher anhand einer Erläuterung der Abtastverfahren und der Art der Erzeugung der Bilder durch die Abbildungssysteme innerhalb einer Querschnitts- "Scheibe" der Anatomie des Patienten. Eine Scheibe stellt Elementarvolumina innerhalb des Querschnitts der Anatomie des Patienten dar, die einem Bestrahlungsstrahl oder einem Magnetfeld ausgesetzt oder hierdurch angeregt werden, und die Information wird auf einem Film oder einem anderen greifbarem Medium aufgezeichnet. Da die Bilder von Scheiben erzeugt werden, die durch die relative Lage des Patienten in bezug auf das Abbildungsgerät festgelegt werden, führt eine Änderung der Orientierung des Patienten dazu, daß unterschiedliche Elementarvolumina in die Scheibe einge­ fügt werden. Wenn daher für Vergleichszwecke zwei Sätze annähernd derselben anatomischen Masse verwendet werden, die zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen wurden, geben diese keine vergleichbare Information wieder, die auf präzise Weise eingesetzt werden kann, um die. Änderungen festzustellen, die zwischen den beiden Bildern in den Sätzen aufgetreten sind, da es nicht bekannt ist, in welchem Maße die beiden von den jeweiligen Sätzen aus­ gewählten Bilder gleiche Ansichten teilen.

Die nachteiligen Auswirkungen auf die medizinische Praxis bei derartigen Fehlern werden durch diagnostische Verfahren verdeutlicht, die von dem Operateur oder anderen Personen bei der Diagnose eines Tumors eines Patienten verwendet werden. Wenn ein Patient einen Tumor hat, können dessen Abmessungsdichte und dessen Ort mit der Hilfe von durch ein Abtastsystem erzeugten Bildern festgestellt werden. Damit ein Kliniker einen Vorschlag für die Behandlung des Patienten machen kann, sind zwei Abtastuntersuchungen erforderlich. Mit dem Patienten wird eine erste Abtastung unternommen, die eine Anzahl von Scheiben durch den Ab­ schnitt der Anatomie unternimmt, beispielsweise des Gehirns, der untersucht werden soll. Während der Abtastung wird der Patient in bezug auf das Abbildungsgerät in einer im wesentlichen festgehaltenen Lage gehalten. Jede Scheibe einer bestimmten Abtastung wird in einem vorher festlegbaren Abstand zur vorherigen Scheibe und parallel hierzu gehalten. Unter Verwendung der Bilder der Scheiben kann der Arzt den Tumor beurteilen. Wenn der Arzt jedoch Änderungen der Anordnung des Tumors über einen gegebenen Zeitraum beurteilen möchte, muß eine zweite oder Nachfolgeabtastung unternommen werden.

Der Abtastvorgang wird wiederholt, aber da sich der Patient in einer Position befinden kann, die von der bei der ursprünglichen Abtastung abweicht, behindert dies einen Vergleich der Abtastungen. In der Nachfolgeuntersuchung erhaltene Scheiben können unabsichtlich im Vergleich zu den Originalscheiben in einem Winkel erhalten werden. Daher kann das erzeugte Bild ein größeres Volumen zeigen als das Volumen, das ursprünglich gezeigt wurde. Demzufolge kann der Chirurg einen unrichtigen Eindruck von der Größe des Tumors bekommen, wenn er Abtastungen vergleicht, die zu unterschiedlichen Zeiträumen aufgenommen wurden. Daher können scheibenweise Vergleiche nicht in zufrieden­ stellender Weise durchgeführt werden.

In ähnlicher Weise ist es für bestimmte chirurgische Verfahren wünschenswert, genaue und verläßliche periodische Abtastungen identischer Segmente des Tumors innerhalb des Cranium-Hohlraums zu erhalten. Wenn die Abtastungen vor und nach der Operation ungenau sind, kann es geschehen, daß der Arzt nicht das korrekte Bild des Ergebnisses der Operation erhält. Dieselben Ungenauigkeiten treten bei anderen Behandlungen auf, beispielsweise wie voran­ stehend beschrieben bei der Chemotherapie.

Zusätzlich gibt es in bezug auf Abbildungssysteme und die essentielle Bedeutung, die diese bei operativen und anderen Tumorbehandlungsverfahren einnehmen, eine Schwierig­ keit bei momentan existierenden Verfahren, die eine Be­ stimmung eines gewünschten Orts innerhalb des Körpers zu einem gegebenen Zeitpunkt gestatten. Beispielsweise beschreibt die US-PS 4 583 538 (ONIK et al) ein Lokali­ sierungsgerät, das auf die Haut eines Patienten aufgebracht wird und in einer Scheibe einer CT-Abtastung identifiziert werden kann. Von einer Position auf dem Gerät wird ein Referenzpunkt ausgewählt, der exakt einem Punkt auf der CT-Abtastung entspricht. Messungen des Lokalisierungs­ geräts auf der CT-Abtastung werden dann mit dem Gerät auf dem Patienten korreliert.

Es wurden externe Geräte eingesetzt bei Versuchen, einige dieser Probleme in bezug auf die Genauigkeit zu lösen, beispielsweise das in der US-PS 4 341 220 (Perry) be­ schriebene Gerät, nämlich ein Rahmen, der über den Schädel eines Patienten paßt. Der Rahmen ist mit drei Platten versehen, von denen jede mehrere Schlitze auf drei oder vier Seiten festlegt. Die Schlitze weisen unterschiedliche Länge auf und sind in bezug auf ihre Länge sequentiell geordnet. Auf dem Rahmen festgelegte und aufgefundene Rahmenkoordinaten entsprechen den unterschiedlichen Höhen der Schlitze. Wenn durch ein Abbildungsgerät Scheiben des Schädels und des Gehirns aufgenommen werden, so schneidet die durch die Scheibe gebildete Ebene die drei Platten. Die Anzahl voller Schlitze in der Scheibe wird in bezug auf jede Platte gezählt, um die Koordinaten eines Zielorts des Gehirns zu bestimmen. Daher muß nur eine CT-Abtastung durchgeführt werden, um die Koordinaten des Ziels festzu­ legen.

Andere Versuche wurden unter Verwendung von Kathetern unternommen, die in den Körper eingeführt wurden. Beispiels­ weise beschreibt die US-PS 4 572 198 (Codington) einen Katheter mit einer Spulenwicklung in seiner Spitze, um das Magnetfeld anzuregen oder zu schwächen. Das schwache Magnetfeld kann durch ein NMR-Gerät festgestellt werden, wodurch der Ort der Katheterspitze in bezug auf das NMR- Gerät bestimmt werden kann.

In der japanischen Zeitschrift Igaku-No-Ayumi (Band 137, Nr. 6 vom 10.05.1986, Seite 451, 452) ist beschrieben, wie mit Hilfe von drei Bleikugeln, die an drei Stellen an den Kopf eines Pa­ tienten angelegt werden und mit einem Koordinatengerät abgeta­ stet werden, deren Zusammenhang berechnet wird.

Aus der EP-0 146 699 ist ein Markierungsimplantat als Bezugs­ punkt für die Ausmessung von Röntgenbildern bekannt, dessen Merkmale den Oberbegriff des Anspruchs 1 bilden.

Aus der US 4638798 ist eine stereotaktische Vorrichtung und ein Verfahren zum Behandeln einer Zone im Körper eines Patien­ ten unter Verwendung eines dreidimensionalen Koordinatensy­ stems bekannt.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, Markierelemente bereitzustellen, mit deren Hilfe es möglich ist, aufgrund von zu unterschiedlichen Zeiten durchgeführten Abtastungen bzw. Aufnahmevorgängen Bilder zu erzeugen, die dieselbe Schnittebene wie Bilder vorheriger Abtastungen darstellen, auch wenn sie bei unterschiedlichen Abbildungsbedingungen zu den unterschiedlichen Zeiten erstellt wurden, und die Verwendung dieser Markierelemente anzugeben, sowie ein Verfahren mit dem unter Verwendung dieser Mar­ kierelementen die Erzeugung derartiger Bilder möglich ist.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Markierelemente mit dem Gegenstand des An­ spruchs 1 bezüglich ihrer Verwendung mit dem Gegenstand des Anspruchs 4 und hinsichtlich des Verfahrens mit dem Gegenstand des Anspruchs 12 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen beschrieben.

Die Erfindung stellt sicher, daß eine genauere Zuordnung irgendwelcher anatomischer Änderungen erhalten wird.

Im Ergebnis gibt dies einem Arzt eine größere Sicherheit in bezug auf die Größe, den Ort und die Dichte des Tumors, oder eines Teils des Tumors, der sich in dem Cranium- Hohlraum befindet.

Diese Fähigkeit vergrößert den Einsatz operativer Verfahren zur Entfernung oder sonstigen Beseitigung des Tumors, insbesondere durch derartige nichtinvasive Verfahren wie Lasertechnologie. Durch Bereitstellung der Fähigkeit, den Ort und die Größe des Tumors genau festzulegen, können Laserstrahlen direkt auf den Tumor fokussiert werden. Intermittierend können als Teil chirurgischer Verfahren Abtastungen durchgeführt werden, um zu bestimmen, ob sich infolge der Operation der Tumor bewegt oder wesent­ lich seine Größe geändert hat. Infolge der Genauigkeit der Abbildungsverfahren kann der Arzt sicher sein, daß die Menge während der Operation zerstörten gesunden Gewebes minimalisiert wird.

Vergleichsimplantate oder Markierelemente werden verwendet, um eine Ebene fest­ zulegen, die mit dem Abbildungsgerät, einem anderen Computer, und insbesondere den Datenverarbeitungsfähigkeiten des Abbildungsgeräts zusammenarbeitet, um sicherzustellen, daß folgende Abtastungen zu Scheiben führen, die im wesent­ lichen parallel zu den während der anfänglichen Abtastung aufgenommenen Scheiben sind. Die Markierelemente werden unter die Haut in die Calvaria eingepflanzt und sind voneinander genügend weit beabstandet, um eine Ebene festzulegen. Der Patient, dem diese Markierelemente eingepflanzt wurden, wird auf übliche Weise in das Abtastgerät gesetzt und abgetastet, um die Bilder aufeinanderfolgender paralleler Scheiben einer gegebenen Dicke entlang eines vorher fest­ legbaren Weges durch den Cranium-Hohlraum bereitzustellen.

Während die Abtastungen aufgenommen werden, sind eine oder mehrere Scheiben erforderlich, um einen Teil oder das gesamte Markierelement aufzunehmen. Die Rechnereigen­ schaften des Abbildungsgeräts oder eines anderen Computers berücksichtigen die räumliche Beziehung zwischen jeder ausgewählten Ebene einer Scheibe und der durch die Markier­ elemente festgelegten Ebene. Infolge dieser Fähigkeit können Bilder, die in aufeinanderfolgenden Abtastungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten bei unterschiedlichen Winkeln genommen wurden, rekonstruiert werden, damit sie im wesentlichen gleich den ursprünglich aufgenommenen Scheiben werden.

Markierelemente für diesen Zweck sind auf spezielle Weise ausgebildet und aus einem Material hergestellt, das ihre Implantation in den Schädel und die Fähigkeit gestattet, durch Abtastgeräte nachgewiesen zu werden. Das hier beschriebene Markierelement ist so ausgebildet, daß sichergestellt ist, daß es während der Implantation keine nachteiligen Wirkungen auf den Schädel ausübt, etwa eine Rißbildung, oder sich bis in den Cranium-Hohl­ raum durch erstreckt. Auch ist es nicht soweit zwischen dem Schädel und der Haut freigelegt, daß es irgendwelche äußeren Merkmale der Anatomie stört. Weiterhin ist das Markierelement zumindest auf einem Abschnitt des Schädels an der Grenzfläche der Haut und des Schädelknochens angeord­ net, um seine Abbildung durch das Abbildungsgerät zu erleichtern. Zumindest ein Abschnitt des Markierelements weist einen symmetrischen Querschnitt auf, so daß Scheiben, die beispielsweise von dem Cranium-Hohlraum aufgenommen wurden, verwendet werden können, um den Schwerpunkt des Markierelements zu lokalisieren. Dies sichert die Genauigkeit bei der Verwendung des Implantatbildes als Referenzpunkt, um folgende Scheiben der Überprüfungsuntersuchung in die richtige Lage und Orientierung zu transformieren.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Seiten- und Aufsicht von Markierelementen;

Fig. 2 eine Seiten- und Aufsicht eines bevorzugten Posi­ tionierungsschemas für Markierelemente in den Schädel;

Fig. 3 eine versetzte Ansicht zweier Koordinatensysteme, die in bezug aufeinander verschoben wurden;

Fig. 4 eine verschobene Ansicht zweier Koordinatensysteme, die in bezug aufeinander gedreht wurden;

Fig. 5 und Fig. 5a, 5b und 5c verschobene Ansichten zweier Koordinatensysteme, die gegeneinander ver­ schoben und gedreht wurden;

Fig. 6 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Bestimmung desselben Punktes P zu zwei unterschiedlichen Zeiten in einem internen, auf den Körper bezogenen Koordinatensystem;

Fig. 7 eine Seitenansicht einer bevorzugten Anordnung mit der Verwendung der Markierelemente, und

Fig. 8 ein Flußdiagramm bezüglich der Bestimmung des Ortes eines Punktes P in einem internen Koordina­ tensystem in bezug auf ein externes Koordinaten­ system.

In Fig. 1 ist ein Markierelement 10 für den menschlichen Körper gezeigt, das durch ein Abbildungssystem nachweisbar ist. Das Markierelement weist einen ersten Abschnitt 12 und einen zweiten Abschnitt 14 auf. Der erste Abschnitt 12 ist so ausgebildet, daß er durch ein Abbildungssystem nachgewiesen werden kann (wenn er unterhalb der Haut angebracht ist). Der zweite Abschnitt 14 ist für eine feste Halterung an dem Knochen unterhalb der Haut ausgebil­ det, ohne vollständig den Knochen zu durchdringen und ohne den Knochen zu brechen. Der erste Abschnitt 12 ist genügend groß ausgebildet und besteht aus einem Material zum Nachweis durch ein Abbildungssystem, und ist genügend klein ausgebildet, um eine minimale Störung der Haut herbeizuführen, wenn er an der Grenzfläche zwischen der Haut und dem Knochen angebracht ist. Der erste Abschnitt 12 ist weiterhin mit zumindest einem Abschnitt versehen, der kugelförmig ist und eine Oberfläche zur Zusammenar­ beit mit einem Werkzeug ausbildet, um den zweiten Abschnitt 14 an dem Knochen zu befestigen. Zusätzlich gestattet die Anordnung von drei Markierelementen 10 in einen Abschnitt der Anatomie des menschlichen Körpers die Wieder­ herstellung einer bestimmten Bildscheibe des Abschnitts der Anatomie, die von einem Abbildungssystem aufgenommen wurde, um im ersten Zeitraum, also bei der ursprünglichen Untersuchung, aufgenommene Bilder zu duplizieren. Dies befähigt einen Arzt dazu, den Fortschritt der Behandlung auf genaue Weise auf ausgewählten Scheiben zu verfolgen, welche die interessierende Anatomie darstellen.

Darüber hinaus gestattet die Existenz dreier Markierelemente 10, daß ein Ziel (beispielsweise ein Tumor) in bezug auf ein externes Koordinatensystem lokalisiert werden kann. Der Teil der Anatomie mit dem Ziel kann dann operiert werden, beispielsweise durch einen Roboter, oder präzise bestrahlt werden.

Um den genauen Vergleich von Bildscheiben aus zumindest zwei unterschiedlichen Zeiträumen zu gestatten, werden die drei Markierelemente 10 zuerst am Körper eines Patienten an einem gewünschten interessierenden Bereich angebracht. Dann wird der Patient in ein Abbildungs­ system eingebracht, und es werden Bilder einer Reihe von Querschnittsscheiben erhalten, die beispielsweise das Volumen des Tumors enthalten, der das interessierende primäre Ziel darstellt. Aus den erhaltenen Abbildungsdaten erfolgt die Lokalisierung der drei Markierelemente, und in bezug hierzu wird ein internes Koordinatensystem definiert. Falls gewünscht, können die Bilddaten weiter in ihrem Format geändert werden, um Bildscheiben zu zeigen, deren Richtung anders ist als die ursprünglich während des Abbildungszeitraums erhaltene Richtung. Abhängig von der diagnostischen Information, die diese Bildscheiben zeigen, können entsprechende Entscheidungen in bezug auf eine Operation, Chemotherapie oder Bestrahlungstherapie eines Patienten getroffen werden. Die Bilddaten können ebenfalls von mehreren unterschiedlichen Abbildungsarten verwendet werden, beispielsweise CT, PET oder NMR, um diesselbe Ansicht der Anatomie zu erhalten, jedoch mit unterschiedlichen betonten Eigenschaften.

Wenn entschieden wird, daß weitere Abbildungsdaten zu einem späteren Zeitpunkt erhalten werden sollen, wird der Patient zum Abbildungssystem zurückgebracht, und der Vorgang zum Erhalt von Bilddaten wird wiederholt. Die Markierelemente 10 werden in bezug auf die zweite Abbildungssitzung lokalisiert, und es wird dasselbe interne Koordinatensystem relativ zu den Markierelementen 10 definiert. Sobald dasselbe interne Koordinatensystem in bezug auf die zweite Abbildungssitzung definiert wurde, werden die Translation und die Rotation des internen Koordinaten­ systems und der hiermit zusammenhängenden Bilder in bezug auf das bei der ersten Abbildungssitzung eingerichtete Koordinatensystem bestimmt. Eine aus der ersten Abbildungs­ sitzung identifizierte Bildscheibe, die zur Diagnose verwendet werden soll, wird aus der zweiten Abbildungs­ sitzung wiedergewonnen. Die beiden Bildscheiben, eine aus der ersten Abbildungssitzung und eine aus der zweiten Abbildungssitzung, werden verglichen, um festzulegen, ob und gegebenenfalls welche Änderungen bei der Anatomie des Patienten aufgetreten sind.

Im einzelnen erfordert ein dreidimensionales nicht col­ lineares Koordinatensystem drei getrennte nicht collineare Punkte, um vollständig definiert zu sein. Falls es mehr als drei identifizierbare Punkte gibt, so ist das System überbestimmt, und drei Punkte müssen zur Festlegung des Koordinatensystems ausgewählt werden. Falls es weniger als drei identifizierbare unterschiedliche Punkte gibt, so ist das System unbestimmt, und es wird keine Position relativ zu dem einen identifizierbaren Punkt oder den zwei identifizierbaren Punkten definiert.

Die bekannte Lokalisierung dreier unterschiedlicher Punkte legt eine Ebene fest, auf der ein orthogonales Koordinaten­ system eingerichtet werden kann. Wenn die drei Punkte zueinander an festen Orten im Verlauf der Zeit liegen, so kann ein Koordinatensystem eingerichtet werden, das ebenfalls in bezug auf die Zeit fixiert ist. Die Fähigkeit, ein nicht zeitabhängiges festes internes Koordinatensys­ tem zum menschlichen Körper zu definieren, führt zu wich­ tigen Vorteilen. Ein vollständig definiertes internes Koordinatensystem, das bezüglich des Ortes und bezüglich der Zeit fest ist, in bezug auf einen Ort in dem Körper, gestattet den Vergleich aufeinanderfolgender Abbildungen des Körpers, die in Abbildungssystemen wie etwa CT-Ab­ tastungen, NMR-Abtastungen, oder PET-Abtastungen vorgenommen wurden, um nur einige zu erwähnen. Genauer gesagt gestatten diese Vergleiche einem Diagnostiker zu sehen, ob und gegebenenfalls welche Änderung innerhalb des Körpers an einem vorher festlegbaren Ort aufgetreten ist.

Durch Verwendung eines festen Koordinatensystems in bezug auf den Körper können dieselben Koordinaten im Verlauf der Zeit verglichen werden. Allerdings ist das Gewebe oder das Material des Körpers nicht notwendigerweise an einem Ort fixiert in bezug auf einen vorher festleg­ baren Satz von Koordinaten im Verlauf der Zeit. Nach dem Ablauf der Zeit kann sich das Gewebe verschoben haben, und dies stellt eine nach Operationen nicht unübliche Änderung dar. Dennoch stellt die Fähigkeit, unterschied­ liche Eigenschaften (abhängig von der Art der Abbildungen) des Gewebes bei denselben Koordinaten und zu unterschied­ lichen Zeiten zu vergleichen, einen großen Vorteil für diagnostische Zwecke dar.

Im Prinzip können die drei Punkte (die erforderlich sind) zur Definition eines Koordinatensystems auf verschiedene Weisen ausgewählt werden. Bei einer Ausführungsform in bezug auf den Gehirn- oder Kopfbereich können die beiden Ohren und ein Zahn, oder die beiden Ohren oder die Nase die drei Punkte ausmachen. Alternativ kann eine Bildscheibe des Schädels einen Satz von Punkten bereitstellen, von dem die drei Punkte ausgewählt wurden, um das Koordinaten­ system für den Körper zu erzeugen. Vorzugsweise stellen drei Markierelemente, die an dem Körper angebracht werden und kontrastreiche Bilder während der Abtastung erzeugen, den verläßlichsten Weg zur Definition eines Koordinaten­ systems zur Verfügung. Idealerweise sollten die drei Punkte in demselben ungefähren Bereich des Körpers liegen, der untersucht wird, und sollten ebenfalls identifizierbar und meßbar durch unterschiedliche Abbildungssysteme sein, beispielsweise CT-Abbildungsgeräte und NMR-Abbildungsgeräte.

Um ein vollständig definiertes Koordinatensystem zu schaffen, ist die Bestimmung dreier unterschiedlicher nicht col­ linearer Bezugspunkte erforderlich. In bezug auf die Schaf­ fung eines vollständig definierten, mit dem menschlichen Körper verankerten Koordinatensystems schreibt das Nachweis­ erfordernis die Anforderung vor, daß Markierelemente 10 aus einem Material hergestellt sind, das durch ein den menschlichen Körper abbildendes System detektierbar ist. Das Markierelement 10 weist einen ersten Abschnitt 12 auf, der eine Einrichtung zur Markierung einer vorher festleg­ baren Position innerhalb eines Körpers bereitstellt, vergleiche Fig. 1. Der erste Abschnitt oder Markierer 12 stellt idealerweise einen hohen Kontrast in einem Bild zur Verfügung, verglichen mit dem umgebenden Material. Das Material, aus dem der Markierer 12 hergestellt ist, führt ebenfalls zu einer geringstmöglichen Störung des Bildes, so daß das Auftreten von Artefakten auf ein Minimum begrenzt ist. Der Markierer 12 ist ebenfalls sicher zur Verwendung im menschlichen Körper und ist unauffällig, so daß ein Träger sich nicht unkomfortabel oder beein­ trächtigt fühlt.

Der Markierer 12 ist symmetrisch und einheitlich, um seine Lokalisierung durch das Abbildungssystem zu erleich­ tern. Wenn der Markierer 12 abgetastet wird, so stellt die Symmetrie sicher, daß jede Ebene durch das Implantat im wesentlichen dasselbe Bild zur Verfügung stellt sowie die Fähigkeit, den Schwerpunkt zu lokalisieren. Es ist deswegen so wichtig, den Schwerpunkt des Markierers 12 zu identifizieren, da derselbe exakte Punkt zur Verwendung bei der Definition des Koordinatensystems reproduzierbar auf­ gefunden werden kann. Ein von nachfolgenden Wiederher­ stellungen desselben Koordinatensystems infolge einer Verschiebung des Koordinatensystems von einer früheren Ausrichtung herrührender Fehler ist daher minimalisiert. Beispielsweise ist eine Kugel die Idealform für einen Markierer 12 in bezug auf symmetrische Einheitlichkeit, da das Bild jeder Ebene der Kugel immer ein Kreis ist.

Bei Kenntnis des Radius des kugelförmigen Objekts und durch Anwendung von Standardalgorithmen kann das Zentrum des kugelförmigen Markierers 12 aus jeder durch die Kugel gelegten Ebene bestimmt werden. Der Algorithmus zur Be­ stimmung des Zentrums einer Kugel kann einen Benutzerein­ griff erforderlich machen, um den ungefähren Ort des Markierelements zu markieren. Der Schwerpunkt kann durch erfolg­ reiche Approximation von der Grenze des kreisförmigen Profils bestimmt werden, welches durch den Benutzereingriff identifiziert wird. Falls beispielsweise a priori-Informa­ tionen über die Dichteverteilung des Bildes des Markier­ elements vorliegen und angenommen wird, daß dieses Kugel­ symmetrie aufweist, dann werden Abtastprofile durch dessen Bild zu glockenförmigen Verteilungen führen, deren Grenzen hieraus bestimmt werden können. Aus den Grenzpunkten wird der Schwerpunkt berechnet. Dies kann zusätzliche Scheiben erfordern, abhängig von der Größe des Markier­ elements und seiner Relativlage in bezug auf benachbarte Scheiben, insbesondere wenn die physikalische Größe des Implantats größer ist als der Abstand der Abtastscheiben.

Wenn die Schwerpunkte der drei Markierelemente (10a, 10b, 10c) bestimmt werden, dann legen zwei von ihnen (10a, 10b) beispielsweise den x-Achsenvektor des Koordi­ natensystems fest, und das Vektorprodukt der Vektoren 10a, 10b und 10a, 10c bestimmt vollständig das Koordinaten­ system, wie in Fig. 5a gezeigt ist, die nachstehend noch eingehend beschrieben wird.

Der Markierer 12, der einen Durchmesser von 1 bis 10 mm, vorzugsweise 4 mm aufweist, kann beispielsweise aus Titan in Form einer Hohlkugel hergestellt sein. Der Hohlraum der Kugel kann beispielsweise mit einem Agarose-Gel gefüllt sein, das verschiedene gewünschte Dotiermittel aufweist, deren Auswahl von dem verwendeten Abbildungssystem abhängt, um den Markierer 12 am besten zu akzentuieren oder hervor­ zuheben. Der Markierer 12 ist fest mit einem zweiten Abschnitt 14 des Markierelements 10 verbunden.

Der zweite Abschnitt 14 stellt eine Einrichtung zum Veran­ kern des Markierers 12 in dem Körper zur Verfü­ gung. Der bevorzugte Verankerungsplatz für den Markierer 12 im Körper ist Knochen, da dieser ein gutes Material darstellt, um den Markierer an seinem Ort zu halten, und weiterhin deswegen, da ein Knochen auch im Verlauf der Zeit in dem Körper an einem Ort verbleibt. Der Anker 17 ist lang genug, um in den Knochen einzudrin­ gen, mit dem er verankert wird, und weiterhin lang genug, um fest eingebettet zu sein, ohne den Knochen zu zerbrechen. Der Anker 14 ist 1 bis 10 mm, vorzugsweise 3 mm lang. Vorzugsweise sollte der Anker 14 in den Knochen einge­ schraubt werden, anstatt mit einem Schlagwerkzeug einge­ trieben zu werden, um die Gefahr eines Knochenbruchs zu verringern: Der Anker 14 kann ebenfalls beispielsweise aus Titan hergestellt sein.

Das Markierelement 10 weist ebenfalls eine Einrichtung 16 zur Aufnahme einer Kraft auf, so daß die Ankervor­ richtung 14 fest an dem Körper befestigt werden kann. Wenn die Ankervorrichtung 14 eine Schraube ist, ist vorzugs­ weise eine Eindellung 16 in Form einer polygonförmigen Ausnehmung zur Aufnahme eines Inbusschlüssels in der Implantatvorrichtung 12 angeordnet. Die Verwendung eines Inbusschlüssels mit der zugehörigen polygonalen Ausnehmung ist symmetrisch einheitlicher als der kreuzförmige Aufnahme­ ort für einen Kreuzschlitzschraubendreher oder der mit einer einzigen Nut versehene Aufnahmeort für einen üblichen Schraubendreher.

Die Implantation eines Markierelements 10 mit einem Anker, in diesem Falle einer Schraube 14, geschieht vorzugs­ weise unter Verwendung eines nicht dargestellten Trocars, um in die Haut einzudringen und einen gewünschten Ort am Knochen zu erreichen. Der Trocar wird zunächst auf die Haut über dem gewünschten Verankerungsort aufgesetzt, und eine darin angeordnete Durchstechstange wird durch die Haut getrieben. Dann wird die Durchstechstange in dem Trocar entfernt, während der Trocar an seinem Platz bleibt. Eine Stange mit einem Inbusschlüsselkopf, der an die polygonale Ausnehmung 16 in der Implantatvorrichtung des Markierelements 10 angepaßt ist, wird in den Trocar eingeführt, bis der Schraubenabschnitt 14 des Markierelements 10 den Verankerungsort erreicht, beispielsweise den Knochen. Dann wird auf den Abschnitt der Stange, der sich aus dem Trocar herauserstreckt, eine Kraft ausgeübt, bis das Markierelement 10 in dem Knochen eingebettet ist. Ein derartiger Vorgang wird unter Lokalanästhesie durchgeführt und sollte nur etwa 5 Minuten dauern.

Die Plazierung der drei Markierelemente 10 hängt von dem zu beurteilenden Abschnitt der Anatomie ab. Im wesent­ lichen werden drei Markierelemente 10 an drei Orten angeordnet, so daß sie einfach identifizierbar sind und die Orte in bezug aufeinander im Verlauf der Zeit fixiert sind. Wenn beispielsweise eine Untersuchung des Schädels und Gehirns unternommen werden soll, wird vorzugsweise ein Markierelement 10A auf der Mittenlinie des Schädels 18 gerade oberhalb des Haaransatzes angeordnet, und die anderen zwei Markierelemente 10B, 10C werden auf der rechten beziehungsweise linken Seite der Mittenlinie und weiter hinten als das Markierelement 10A auf der Mittenlinie ange­ ordnet. Dies geht aus Fig. 2a und 2b hervor, die eine Frontalansicht beziehungsweise eine Aufsicht des Schädels 18 darstellen. Ein anderes Beispiel für einen interessieren­ den Bereich ist der Torso, wobei ein Markierelement 10 auf der Mittenlinie des Brustbeins (Sternum) angeordnet wird, und die beiden anderen Markierelemente 10 seitlich hierzu auf der rechten beziehungsweise linken Seite und in einer Rippe. Es kann aber auch ein Markierelement 10 im spinalen Raum eines Wirbels in der Mittenlinie angeordnet werden und die beiden anderen Markierelemente im Kamm des rechten beziehungsweise linken Weichenbeins.

Das Abbildungsgerät stellt eine feste Achse zur Verfügung, in bezug auf welche jede andere Lage im Raum lokalisiert werden kann. Dies führt dazu, daß die Position des Bezugs­ markierers und das Koordinatensystem, das diese Markierer definieren, in bezug auf das Abbildungsgerät lokalisiert werden können. Dies erlaubt es, den Ort der Markierer relativ zum Abbildungsgerät zum Nachschlagen in der Zukunft aufzuzeigen. Bei folgenden Abtastungen kann sich die Orientierung des Patienten in bezug auf das Abbildungsgerät ändern. Diese Neuorien­ tierung kann durch Lokalisierung der Bezugsmarkierer in bezug auf das Abbildungsgerät und Vergleich mit dem vorher aufgezeichneten Ort gemessen werden. Das Vergleichs­ verfahren gestattet eine Reorientierung von Bildern nach­ folgender Abtastungen in eine Position, die der früheren aufgezeichneten Abtastung entspricht, so daß sich die Bildscheiben immer im wesentlichen an demselben Querschnitt der früher aufgezeichneten Scheiben befinden.

Im tatsächlichen Betrieb werden diese Positionen durch Koordinatensysteme definiert, und es ist die Position dieser Systeme, die wie nachstehend erläutert durch Trans­ lation oder Rotation erreicht wird.

Nachdem die Markierelemente 10 an ihrem Ort sind und ein Koordinatensystem definiert ist, können folgende Bilder desselben anatomischen Volumenbereichs verglichen werden. Wenn beispielsweise Bilder des Gehirns aufgenommen werden, kann der Kopf einer Person unterhalb, oberhalb oder seitlich (siehe Fig. 3) des Ortes des Kopfes bei einer früheren Abbildungssitzung angeordnet werden. Der Kopf kann (vergleiche Fig. 4) im Vergleich zu seiner Orientierung während einer früheren Abbildungssitzung gedreht werden. Auch kann sich im Vergleich zu einer früheren Abbildungssitzung, siehe Fig. 5, der Kopf transla­ torisch bewegt haben oder sich gedreht haben. Unabhängig davon, aus welchem Grund der Kopf unterschiedlich orien­ tiert ist, kann unter Ausnutzung des Vorteils des festen, vollständig definierten inneren Koordinatensystems in dem Gehirn ein früherer Punkt oder Scheibenbild des Gehirns aus nachfolgenden Bildinformationen er halten werden. Dies wird, wie in Fig. 6 gezeigt ist, erreicht durch Vergleich des Ortes und der Richtung der Ebene, die durch die drei Bezugspunkte bei der ersten Untersuchung definiert wurde, mit dem Ort und Richtung derselben Ebene, die durch die drei Bezugspunkte zum Zeitpunkt der zweiten Untersuchung definiert wird. Zur Vereinfachung ist der Ursprung des Koordinatensystems an einem gegebenen Bezugs­ punkt angeordnet. Durch Messung der Entfernung in beispiels­ weise der x, y und z-Richtungen zwischen demselben Bezugs­ punkt (den Ursprüngen) zu den beiden unterschiedlichen Zeiten kann die Translation des Ursprungs eines Koordi­ natensystems in bezug auf das andere erhalten werden.

Vorzugsweise kann die Transformation in bezug auf die Drehung von einem gegebenen kartesischen Koordinatensystem auf ein anderes mittels dreier aufeinanderfolgender Drehungen ausgeführt werden, die in einer bestimmten Folge durchge­ führt werden. Dann werden drei als Eulersche Winkel bekannte Winkel definiert. Diese drei Eulerschen Winkel sind die drei aufeinanderfolgenden Drehwinkel, die erforderlich sind, um die Transformation auszuführen. Die Bestimmung der Eulerschen Winkel wird dadurch erreicht, daß zuerst der Schnitt zweier durch die Markierelemente festge­ legter Ebenen berechnet wird, dann der Winkel zwischen der Bezugs-x-Achse und der Schnittlinie (psi) berechnet wird, dann der Winkel theta, und schließlich der Winkel phi berechnet wird. Dann sind die drei Eulerschen Winkel festgelegt. Für das in den Fig. 5a, 5b und 5c gezeigte Beispiel wird die Sequenz, die zur Ausführung der Transfor­ mation erforderlich ist, eingeleitet durch Drehung des anfänglichen Achsensystems xyz um einen Winkel phi gegen den Uhrzeigensinn um die z-Achse, wie in Fig. 5a gezeigt ist. Das resultierende Koordinatensystem wird durch die xi-, eta-, zeta-Achsen bezeichnet. In der zweiten Stufe werden die zeitweiligen Achsen xi, eta, zeta um die xi-Achse gegen den Uhrzeigersinn um einen Winkel theta gedreht, um einen weiteren Zwischensatz zu erzeugen, nämlich die xi', eta'-, zeta'-Achsen, wie in Fig. 5b gezeigt ist, in der das dritte Markierelement 10c zu Erleichterung des Verständnisses nicht gezeigt ist. Die xi'-Achse befindet sich am Schnitt der xy- und xi'-eta'-Ebenen und ist als Knotenlinie bekannt. Schließlich werden die xi'-, eta'- und zeta'-Achsen gegen den Uhrzeigersinn um einen Winkel psi um die zeta'-Achse gedreht, um das gewünschte x'y'z'- Achsensystem zu erzeugen, das in Fig. 5c gezeigt ist. Daher legen die Eulerschen Winkel theta, phi und psi vollständig die Orientierung des x'y'z'-Koordinatensystems relativ zum xyz-Koordinatensystem fest und können daher als die drei erforderlichen generalisierten Koordinaten verwendet werden.

Die Elemente der vollständigen Transformation A können erhalten werden, indem eine vollständige Transformations­ matrix als das Dreifachprodukt der getrennten Rotationen aufgeschrieben wird, von denen jede in Matrixform geschrie­ ben werden kann. Daher kann die anfängliche Rotation um die z-Achse durch die Matrix D beschrieben werden:

xi = Dx

wobei xi und x Spaltenmatrizen darstellen. Entsprechend kann die Transformation von xi, eta, zeta zu xi', eta', zeta' durch die Matrix C beschrieben werden:

x' = Cxi

und die letzte Drehung zu x'y'z' durch eine Matrix B

x' = Bxi'

Daher kann die Matrix der gesamten Transformation geschrie­ ben werden als

x' = Ax

und dies stellt das Produkt der aufeinanderfolgenden Matrizen dar:

A = BCD

Die Matrix D kann geschrieben werden als

Die Matrix C kann geschrieben werden als

Die Matrix B kann geschrieben werden als

Die Produktmatrix A = BCD wird dann unter Zuhilfenahme des voranstehenden Ausdrucks erhalten. Die Reihenfolge der Matrixmultipliation hängt von der zu lösenden Aufgabe ab; im vorliegenden Fall definiert sie die Transformation von dem xyz-Achsensystem auf das x'y'z'-Achsensystem.

Nachdem die Eulerschen Winkel bestimmt sind, ist zumindst grundsätzlich das Problem der Orientierung gelöst. Eine wesentliche Vereinfachung der Berechnung läßt sich aller­ dings erreichen, wenn der Satz von Euler angewandt wird.

Der Satz von Euler über die Bewegung eines starren Körpers besagt, daß die allgemeine Verschiebung eines starren Körpers mit einem festgehaltenen Punkt eine Drehung um irgendeine Achse darstellt.

Wenn der feste Punkt als Ursprung des Körperachsensystems genommen wird, dann führt die Verschiebung des starren Körpers zu keiner Translation des Körperachsensystems, und die einzige Änderung ist die Orientierung. Der Satz sagt dann aus, daß das Körperachsensystem immer als einzige Rotation des ursprünglichen Koordinatensystems erhalten werden kann. Es ist kennzeichnend für die Rotation, daß sie die Richtung der Rotation durch die Operation unbe­ einflußt läßt. Mit anderen Worten muß jeder Vektor, der in der Richtung der Drehachse liegt, vor und nach der Roation dieselben Komponenten aufweisen. Eine notwendige Bedingung besteht darin, daß die Größe des Vektors unbe­ einflußt bleibt, und dies wird automatisch durch die Orthogonalitätsbedingungen gesichert. Daher kann der Satz von Euler bewiesen werden, wenn gezeigt wird, daß ein Vektor R existiert, der vor und nach der Transformation, also in beiden Systemen, die selben Komponenten hat.

Hieraus folgt, daß

R' = AR = R

Das voranstehende Eigenwertproblem geschrieben werden als

AR - kR = O

wobei k eine Konstante darstellt. Die Werte von k, für die es lösbar ist, werden Eigenwerte der Matrix genannt. Die Eigenwertgleichungen können geschrieben werden als

(A - k1)R = R

Diese Gleichung umfaßt einen Satz dreier homogener gleich­ zeitiger Gleichungen für die Komponenten X, Y, Z des Vektors R. Daher können sie niemals die bestimmten Werte der drei Komponenten zur Verfügung stellen, sondern nur deren Verhältnisse. Daher bleiben die Größen der Komponen­ ten unbestimmt. Für homogene Gleichungen muß die Deter­ minante der voranstehenden Gleichung verschwinden, und die Lösung stellt die Werte k zur Verfügung. Für reelle, orthogonale Matrizen der Gleichung muß gelten: k = +1.

Im allgemeinen hat die Gleichung drei Wurzeln entsprechend drei Eigenvektoren. Die Betrachtung führt zu einer Dia­ gonalmatrix von k

Die Matrixgleichung kann dann geschrieben werden als

AR = Rk

oder, durch multiplizieren von links mit (R*)^-1

(R*)^-1AR = k

Diese Gleichung stellt eine nützliche Vorgehensweise zur Lösung des Problems zur Verfügung: Suche eine Matrix, die A in eine Diagonalmatrix transformiert, deren Elemente die gewünschten Eigenwerte sind.

Schließlich muß der Drehwinkel bestimmt werden. Die Richtungs­ cosinus der Drehachse können erhalten werden, indem k = 1 in der Eigenwertgleichung gesetzt wird und diese für die Komponenten von R gelöst wird. Es läßt sich zeigen, daß die Spur der Matrix A verwendet werden kann, um den Drehwinkel zu bestimmen. Man muß die Spur T von A bestimmen, also

T = 1 + cos W

woraus W bestimmt werden kann.

Damit die voranstehend beschriebenen Rotationen irendeine Bedeutung haben, muß sich das Markierelement 10A oder irgendein Punkt für die beiden Koordinatensysteme, die ausgerichtet werden, an demselben Platz befinden. Dies erfordert eine Translation des Markierelements 10A von einem Ort, der einem Koordinatensystem entspricht, in den Ort des Markierelements 10A in dem anderen Koordinaten­ system. Durch einfache Bewegung des gewünschten Koordinaten­ systems um lineare Beträge von x, y und z, in bezug auf ein kartesisches Koordinatensystem, befindet sich das Markierelement 10A an dem selben Ort. Für eine vollständigere Diskussion der Transformation eines kartesischen Koordina­ tensystems in ein anderes vergleiche Herbert Goldstein, Classical Mechanics, Addison Wesley, Reading, MA, 1965, Seite 107-109.

Daher kann jeder Punkt in bezug auf die Translation und Rotation eines gegebenen kartesischen Koordinatensystems erhalten werden. Da jeder Punkt erhalten werden kann, kann auch jede Ebene erhalten werden, da eine Ebene aus einem Satz von Punkten besteht. Wenn man beispielsweise einen gegebenen Punkt im Verlauf der Zeit betrachten möchte, wird die Koordinate des Punktes in bezug auf eine erste Zeit identifiziert. Die Translations- und Rotationsinformation entsprechend dem Koordinatensystem zur ersten Zeit in bezug auf die zweite Zeit wird dann auf den Punkt zur ersten Zeit angewendet, um die Koordinaten des identischen Punkts im Koordinatensystem zur zweiten Zeit zu erhalten. Dann werden die sich auf den zweiten Zeitpunkt beziehenden Abbildungsdaten durchsucht, um den gewünschten Punkt aufzufinden. Dies ist nur einer von zahlreichen Wegen, um denselben Punkt im Koordinaten­ system als Funktion der Zeit zu erhalten.

Entsprechend wird für eine Ebene oder ein Scheibenbild dasselbe Verfahren auf jeden Punkt des Punktsatzes ange­ wendet, der das Scheibenbild ausmacht. Die gewünschten Punkte werden dann in der Bildinformation gesucht, die dem Koordinatensystem zur zweiten Zeit entspricht. Nach­ dem sämtliche Punkte mit ihren zugehörigen Bildinformationen identifiziert sind, werden sie umformatiert, um eine Bildscheibe zu erzeugen, die der gewünschten Bildscheibe, die sich auf das Koordinatensystem zur ersten Zeit bezieht, soweit wie möglich entspricht. Selbstverständlich muß die Lage der vom Arzt aus den ursprünglichen Bildscheiben ausgesuchten Scheibe in bezug auf die Markierelemente bestimmt werden. Zu diesem Zweck werden vorzugsweise die z-Koordinaten oder die Höhenkoordinaten des Systems eingeführt. Dies kann ohne Bezug auf irgendeine Scheibe in dem Bildsatz geschehen. Beispielsweise kann die Scheibe ausgewählt werden, die das erste Markierelement enthält.

Idealerweise werden beim Umformatierungsschritt Bildpunkte von Bildscheiben der zweiten Zeit genommen und zusammen ausgerichtet und eine Bildscheibe erzeugt, die soweit wie möglich der gewünschten Bildscheibe der ersten Zeit gleicht. Allerdings existiert in der Praxis recht häufig ein Punkt nicht, der zur Erzeugung eines umformatierten Bildes erforderlich ist, da Bildscheiben beispielsweise oberhalb und unterhalb des Punktes aufgenommen wurden. In diesem Fall muß eine Interpolation verwendet werden, um die Beiträge des fehlenden Punkts abzuschätzen und so eine gewünschte Bildscheibe herzustellen. Beispielsweise verwendet ein einfaches Interpolationsverfahren die beiden zum nicht existierenden gewünschten Punkt nächstgelegenen bekannten Punkte. Diese beiden bekannten Punkte sind auch soweit wie möglich einander gegenübergelegen, mit dem gewünschen Punkte dazwischen, und es wird der Durch­ schnitt ihrer Bildwerte genommen. Ist beispielsweise die Intensität des einem Punkt zugeordneten Bildes 6 Einheiten auf einer Skala von 1 bis 10 Einheiten, und die des zweiten Punkts 4 Einheiten, und die beiden Punkte weisen eine im wesentlichen gleiche Entfernung von dem gewünschten Punkt auf, so wird dem gewünschten Punkt ein Bildintensitätswert von 5 Einheiten zugewiesen. Ver­ gleiche Fig. 6, die das das gesamte voranstehende Verfah­ ren beschreibende Flußdiagramm zeigt.

Ein Interpolation kann vermieden werden, wenn das interne Koordinatensystem zu den unterschiedlichen Zeiten, an welchen Abbildungsdaten erhalten werden, in eine identi­ sche Lage gebracht wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man veranlaßt, daß die drei Markierelemente 10 sich in exakt derselben Lage befinden, wenn Abbildungsdaten aufgenommen werden. Wenn man beispielsweise ein Röntgenge­ rät hat oder dem nachstehend geschilderten Verfahren folgt, das den Ort der Markierelemente im Körper in bezug auf ein externes Koordinatensystem ergibt, und wenn man weiß, an welchem Ort die Implantate zum ersten Zeitpunkt lagen, an welchem eine Abbildung vorgenommen wurde, kann der Körper bewegt werden, um sich an demselben exakten Ort zu befinden. Ein Weg zur Bewegung des Körpers in eine Lage erfolgt mit einem Tisch oder einer Plattform, die dreidimensional bewegbar ist. Wenn man dann weiß, wo sich das Koordinatensystem im Körper in bezug auf die Plattform befindet, kann die Plattform nach oben, unten, vorwärts, rückwärts und/oder zur Rotation bewegt werden, so daß das interne Koordinatensystem in exakt derselben Weise angeordnet ist wie beim erstenmal, als Abbildungsdaten erhalten wurden.

Zusammenfassung und unter Bezug auf Fig. 6 umfaßt das Verfahren die folgenden Schritte:

• 1. Lokalisierung der Markierelemente in dem anfänglichen Untersuchungsbildsatz, und Einrichtung des internen Koordinatensystems;
• 2. Auswahl der interessierenden Scheibe oder Scheiben in dem anfänglichen Satz;
• 3. Bestimmung der Translationsentfernung zwischem dem durch die Markierelemente festgelegten Koordinatensystem und der ausgewählten Scheibe;
• 4. Lokalisierung der Markierelemente in der Nachsorgeunter­ suchung;
• 5. Bestimmung der Eulerschen Winkel in dem Koordinaten­ system;
• 6. Bestimmung der Koordinaten jedes Punktes in der transfor­ mierten Scheibe, die der ausgewählten Scheibe in dem ursprünglichem System entspricht; und
• 7. Bestimmung der Intensitätswerte in jedem Punkt unter Verwendung von Interpolation in Axialrichtung (Axial­ richtung ist definiert als die Bewegungrichtung des Tisches des Abbildungsgeräts).

Obwohl es zahlreiche unterschiedliche Hardware- und Software- Ausführungsformen zur Ausführung der Bearbeitung der Bilddaten gibt, können diese jeweils entsprechend ihrer Funktion wie folgt unterteilt werden:

• 1. Hardware, die eine schnelle Rekonstruktion des Quer­ schnittsbildes erleichtert;
• 2. Bildanzeige mit Interaktion durch eine Bedienungsperson;
• 3. Speichergerät für Bilder;
• 4. Kopierfähigkeit, um dauerhafte Kopien der Abbildungen herzustellen.

Eine Ausführungsform verwendet einen existierenden Com­ puter und seine Peripheriegeräte zur Erzeugung der umforma­ tierten Bilder.

Eine weitere Ausführungsform verwendet ein selbständiges System, bei welchem die Bilder von dem jeweiligen Abbil­ dungsgerät zugeführt werden, und dann wird die Vergleichs­ untersuchung in dem selbsttätigen System vorgenommen.

Der gesamte Computerteil des Abbildungsgerät muß im wesent­ lichen doppelt vorhanden sein, und es müssen unterschied­ liche Optionen für zugeführte Dateneingabe gegeben sein, damit Bilder sämtlicher Typen verarbeitet werden können. Die Möglichkeit zur Erzeugung dauerhafter Kopien ist ebenfalls wüschenswert, beispielsweise eine Matrixkamera, da dauerhafte Aufzeichnungen für einen Diagnostiker für unschätzbarem Wert sind.

Gleichwie ob ein selbsttätiges System oder ein existierendes System zur Implementierung der voranstehend beschriebenen Umformatierung modifiziert wird, werden die Abbildungen vorzugsweise als Files mit zwei Teilen gespeichert: (1) einem Kopfteil, der die persönlichen Daten des Patienten und Information der Untersuchung selbst enthält, also technische Parameter der Belichtung oder des Abbildungs­ verfahrens; und (2) die Bildmatrix. Diese zwei Teile werden vorzugsweise zeitweilig (gewöhnlich für einige Tage) auf magnetischen Festplatten gespeichert, und dann auf ein dauerhaftes Speichermedium übertragen, beispiels­ weise wie Magnetband oder Floppydisk. Zusätzlich zu diesem Fileaufbau kann ein Unterfile zugefügt werden, der die Ergebnisse der Berechnung enthält (beispielsweise können die Eulerschen Winkel zugefügt werden).

Ein Gerät 100 führt die Abbildung, Signalverarbeitung und die Anzeige durch, die erforderlich sind, um Abbildun­ gen im wesentlichen derselben Koordinaten in dem menschlichen Körper zu erzeugen, die im Verlauf der Zeit verglichen werden können, oder um den Ort von Zielen anzugeben, beispielsweise Tumoren, und ein derartiges Gerät ist in Fig. 7 dargestellt. Ein solches Gerät 100 besteht aus einem Abbildungsgerät 102, das Abbildungsdaten liefert, und wird durch einen programmierbaren Computer 104 gesteuert. Die Abbildungsdaten werden von einer Quelle 106 in dem Abbildungsgerät 102 erhalten, die etwa über einem Patienten 107 angeordnet wird. Die Abbildungsdaten werden, wie voranstehend beschrieben, einer Signalverarbeitung unterworfen, und die gewünschten Abbildungen werden auf einer Anzeigevorrichtung 108 darge­ stellt. Zusätzlich kann ein Benutzereingriff durch ein Benutzerbedienungspult 110 erfolgen, und die Koordinaten eines Ziels können in den Koordinaten der Zielanzeige­ vorrichtung 112 für Bestrahlungstherapieanwendungen darge­ stellt werden.

Eine Anwendung, die sich der Vorteile eines vollständig definierten internen Koordinatensystems des Körpers bedient, bezieht sich auf Bestrahlungsbehandlung. Zur Bestrahlungs­ therapie muß der Ort eines radioaktiven Strahls eines externen Koordinatensystem in Bezug zu dem internen Koor­ dinatensystem gesetzt werden. Vergleiche Fig. 5, wo das externe Koordinatensystem als das ungestrichene System und das interne System als das gestrichene System angesehen werden kann. Der Punkt P kann den Ort eines Punktes eines Tumors darstellen. In dieser Situation sind die tatsächlichen Entfernungen und Orte des Punktes P in dem gestrichenen Koordinatensystem und der Ort des Ursprungs des gestrichenen Koordinatensystems wichtig. Wenn der Punkt P in bezug auf das interne oder gestrichene Koordinatensystem bekannt ist, und das gestrichene Koordinatensystem in bezug auf das externe oder ungestrichene Koordinatensystem sowie die Eulerschen Winkel der Rotation bekannt sind, dann ist der Ort des Punktes P in bezug auf das externe Koordi­ natensystem bekannt. Beispielsweise und unter Bezug auf Fig. 7 gibt es für die Bestrahlungsbehandlung oder die Chirurgie zahlreiche Verwendungen, wenn man weiß, wo sich das interne Koordinatensystem A in bezug auf das externe Koordinatensystem B befindet. Wenn in der Bestrah­ lungstherapie der Ort eines Tumors in bezug auf das interne Koordinatensystem bekannt ist, und das interne Koordi­ natensystem in bezug auf ein externes Koordinatensystem bekannt ist, das eine Strahlungsquelle 20, beispielsweise ein Röntgengerät zur Abtötung von Krebszellen, aufweist, dann kann Strahlung nur auf den Tumor ausgeübt werden, unter der Voraussetzung, daß sie sich auf das Volumen nur des Tumors konzentrieren kann. Hierdurch wird das Raten eines Röntgentherapeuten entbehrlich, der auf ver­ schiedene Bilder eines Tumors in einem Körper sieht und schätzt, wohin er die Strahlungsquelle richten soll, um so hoffentlich nur den Tumor zu bestrahlen. Der Ort eines Tumors in einem internen Koordinatensystem kann, beispielsweise durch eine erste Abbildungssitzung, identi­ fiziert werden. Die hiervon erhaltenen Daten werden in einem Medium gespeichert, das ein Wiederauslesen der Daten gestattet, wenn der Ort des Tumors gewünscht ist und nicht noch einmal Bilder der Anatomie genommen werden sollen.

Ein Weg zur Durchführung der Bestrahlung eines bestimmten Ortes in dem Körper 32, an dem sich beispielsweise ein Tumor befindet, umfaßt die Verwendung eines Roborterarmes 34, dessen Basis 36 als Ursprung (0, 0, 0) des externen Koordinatensystems 8 ausgewählt werden kann. An der Spitze 38 des Roboterarms 34 befindet sich ein Sensor 40. Der Sensor 40 kann ein Metalldetektor oder ein Ultraschall­ detektor sein oder jedes Instrument, das die Lage eines Markierelements 10 in einem Körper 32 abfühlen kann. Wenn die Markierelemente 10 in einen Schädel 18 einge­ setzt sind und sich hierin ein Tumor befindet, wird die Spitze 38 des Roboterarms 34 durch den Arm 34 bewegt, bis sie ein Markierelement 10 in dem Schädel 18 berührt. Die Bewegung des Roboterarms 34 wird durch einen Computer (nicht dargestellt) verfolgt, und daher ist die Lage des Sensors 40 in bezug auf die Basis 36, den Ursprung 0 des externen Koordinatensystems B, des Arms 34 bekannt. Die Einrichtung zur Verfolgung des Arms ist wohlbekannt und wird durch (nicht dargestellte) Sensoren in kritischen Orten des Arms 34 bewirkt, die eine Drehung oder Bewegung der Verbindungsglieder 42 des Arms 34 detektieren. Durch Zuführung dieser Information zu einem Computer, zusammen mit den Informationen bezüglich der festen Längen des Aufbaus des Roboterarms 34, ist der Ort der Spitze 38 des Arms 34 immer bekannt. Wenn die Spitze 38 des Arms 34 auf dem Markierelement 10 in dem Schädel 18 ruht, so ist der Ort des internen Koordinatensystems A, das durch die Markierelemente 10 festgelegt ist, in bezug auf das äußere Koordinatensystem B bekannt. Wenn die Eulerschen Winkel der Drehung und der Ort des Tumors, der relativ zum internen Koordinatensystem A bekannt ist, dem Computer zugeführt werden, kann der Ort des Tumors in dem externen Koordinatensystem B bestimmt werden. Der Ort des Tumors ist in bezug auf das interne Koordinaten­ system durch beispielsweise die bereits gespeicherten Abbildungsdaten bekannt, und durch die Tatsache, daß die Markierelemente 10 ebenfalls in fester Lage zueinander angeordnet sind, nachdem sie einmal angebracht wurden. Dem Computer ist die Strahlungsquelle 30 bekannt und wohin diese gerichtet ist, in bezug auf das externe Koordi­ natensystem B. Der Computer, dem die Information vorliegt, wo sich der Tumor in dem externen Koordinatensystem B befindet, kann die Strahlungsquelle 30 ausrichten, um den Ort des Tumors im Gehirn präzise zu bestrahlen. Im allgemeinen wird der Ort eines Punktes P in dem internen Koordinatensystem relativ zum externen Koordinatensystem bestimmt, wenn die Entfernung zwischen den Ursprüngen der beiden Koordinatensysteme bekannt ist und die Eulerschen Winkel bekannt sind, wie voranstehend ausgeführt wurde.

In der Chirurgie kann das durch die drei Bezugspunkte definierte interne Koordinatensystem es beispielsweise gestatten, daß ein Laser verfolgt wird, während er durch Gewebe zu einem Tumor schneidet. Ein im Operationsraum vorgesehenes Abbildungssystem wird so angeordnet, daß es kontinuierlich Abbildungsdaten aufnimmt, die einem Computersystem zugeführt werden, das ebenfalls auf der Grundlage der zugeführten Daten den Laser führt. Während der Laser durch das Gewebe schneidet, wird die Änderung des Gewebes durch das Abbildungssystem deutlich und kann in bezug auf das feste interne Koordinatensystem verfolgt werden. Wenn ein vorher festlegbarer Ort durch den Laser erreicht ist oder ein vorher festlegbarer Abschnitt des Gewebes durch den Laser entfernt wurde, so bricht der Computer, der den Laser steuert und die Abbildungsdaten verarbeitet, den Betrieb des Lasers ab.

Beim Betrieb werden, nachdem sich die Markierelemente in einem Patienten an ihrem Ort befinden, zu einem ersten Zeitpunkt Abbildungs­ daten aufgenommen und gespeichert. In festgelegten Zeit­ intervallen, beispielsweise in jedem weiteren Jahr danach, kehrt der Patient zum Ort des Abbildungssystems oder eines ähnlichen Systems zurück und unterzieht sich einer Nachsorgeabbildung. Die neu aufgenommenen Abbildungs­ daten werden dann, wie voranstehend beschrieben, umforma­ tiert, um hochgenaue Abbildungen derselben Querschnitte des Körpers zu erhalten, wie derer, die in der früheren Sitzung aufgenommen wurden. Die Bilder von der letzten Sitzung werden dann mit der früheren Sitzung verglichen (falls es mehrere frühere Sitzungen gibt, können sie sämtlich für Vergleichszwecke herangezogen werden), um zu bestimmen, ob sich irgendwelche signifikante Änderungen ergeben haben, etwa eine Progression oder Regression einer Abnormität, beispielsweise eines Tumors. Die Bild­ daten, die aus verschiedenen Abbildungssitzungen gesammelt und in unterschiedlichen Zeitintervallen aufgenommen wurden, können selbstverständlich auf zahlreiche Weisen verglichen werden, etwa durch Umformatieren von Bildern, die bei früheren Sitzungen genommen wurden, um eine inte­ ressierende Bildscheibe zu zeigen, die aus der letzten Sitzung ausgewählt wurde, anstelle nur eines Vergleichs von Bildscheiben einer letzten Sitzung mit denen früheren Sitzung. Wie bereits voranstehend ausgeführt wurde, können die Vergleiche mehrere Zwecke verfolgen: (a) entweder eine einfache Überwachung des Wachstums des Tumors, ohne Therapie; oder (b) die Bestätigung einer therapeutischen Behandlung, beispielsweise Bestrahlung oder Chemotherapie; oder (c) die Nachüberwachung einer chirurgischen Behandlung.

Beim erfindungsgemäßen Betrieb in bezug auf Bestrahlungs­ therapie wird der Tumor zunächst im Körper des Patienten identifiziert. Dann wird der Patient in das Abbildungs­ system eingebracht, so daß zumindest der Tumorbereich abgebildet werden kann. Das Abbildungssystem wird einge­ setzt, um die Lage des Tumors in dem internen Koordinaten­ system zu lokalisieren. Dann können die Bilddaten beispiels­ weise für eine spätere Verwendung gespeichert werden, und so wird die Position des Tumors identifiziert, ohne daß jedesmal neue Bilder erhalten werden müssen, wenn eine Bestrahlungstherapie durchgeführt wird. Dann kann der Patient vor eine Strahlungsquelle gebracht werden, und jedesmal dann, wenn eine Bestrahlungstherapie erfolgt, wird die gespeicherte Information von der Abbildungs­ sitzung dem Computer zugeführt, der die Bestrahlungsquelle betätigt. Das interne Koordinatensystem wird in bezug auf das externe Koordinatensystem lokalisiert, beispiels­ weise durch Lokalisierung eines Bezugsimplantats, wie voranstehend beschrieben ist, in bezug auf eine bekannte Position in dem externen Koordinatensystem. Sobald die Position des internen Koordinatensystems in bezug auf das externe Koordinatensystem bekannt ist, ist die Tumorpo­ sition in bezug auf das externe Koordinatensystem bekannt, da die Tumorposition bereits in bezug auf das interne Koordinatensystem von der gespeicherten Bildinformtation bekannt ist. Dann wird eine Strahlungsquelle auf den Tumor in dem Körper gerichtet, beispielsweise durch einen Computer, der die Abbildungs- und Positionsdaten empfängt. In bezug auf die Chirurgie ist das Verfahren, das eingesetzt wird, um die Vorteile der Markierelemente zu nutzen, gleich dem voranstehend beschriebenen Verfahren für Be­ strahlungstherapie. Sobald der Tumor in bezug auf das interne Koordinatensystem lokalisiert ist und der Ort des internen Koordinatensystems in bezug auf das externe Koordinatensystem bekannt ist, ist der Tumor in bezug auf das externe Koordinatensystem lokalisiert. Chirurgische Instrumente können dann mit dem Computer auf den Tumor geleitet werden, wobei das Abbildungssystem interaktiv mit dem Computer arbeitet. Die Abbildungsdaten, die das Abbildungssystem dauernd dem Computer zuführt, gestatten dem Computer, den Fortschritt und das Ausmaß der Operation zu verfolgen.

Claims (15)

1. Markierelement (10) zum Markieren eines Bezugspunktes für Bildaufnahmen des menschlichen Körpers mittels bildgebender Verfahren, mit einem ersten Abschnitt (12) aus einem kontrast­ gebenden Material, der so geformt ist, daß jede seiner Schnit­ tebenen sich in gleicher Weise abbildet und eine Lokalisation des Schwerpunktes des kontrastgebenden Materials auf der Ab­ bildung ermöglicht, einem zweiten Abschnitt (14) zum Verankern des Markierelements (10) an einem Knochen (18), wobei dieser zweite Abschnitt (14) solche Abmessungen aufweist, daß der Knochen (18) nicht vollständig durchdrungen oder gebrochen werden kann, und einer Anordnung (16) zum Aufnehmen eines Werkzeugs beim Verankern des Markierelements (10) am Knochen, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt (14) einen vom ersten Abschnitt (12) abstehenden Ansatz bildet, der so ausgebildet ist, daß der erste Abschnitt (12) nach dem Einset­ zen des Markierelements (10) in einen Knochen über dessen Außenfläche vorsteht, so daß der erste Abschnitt (12) bei einer Plazierung an der Grenzfläche zwischen dem betreffenden Knochen und der diesen umspannenden Haut von außen her erken­ nbar ist und zwecks Lokalisierung des Markierelements (10) in einem äußeren Bezugssystem mit einem Meßfühler berührt werden kann.

2. Markierelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt (14) als Schraube ausgebildet ist und der erste Abschnitt (12) mit einer Mehrkantausnehmung als Anord­ nung (16) für ein entsprechendes Mehrkantwerkzeug versehen ist.

3. Markierelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der erste Abschnitt (12) eine größte Querschnittser­ streckung von 1-10 mm aufweist und die Länge des zweiten Abschnittes (14) 1-10 mm beträgt.

4. Verwendung von drei Markierelementen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als Bezugspunkte zum Festlegen eines körper­ festen Koordinatensystem im Bereich eines zu untersuchenden Körperabschnittes für eine Aufnahme von Schnittbildern des betreffenden Körperabschnittes.

5. Verwendung nach Anspruch 4 beim Erstellen von Schnittbil­ daufnahmen eines Körperabschnittes in folgenden Schritten:

• a) Aufnahme von zwei Serien von Querschnittsbildern des Kör­ perabschnittes zu zwei verschiedenen Zeitpunkten, wobei beide Serien die von den Markierelementen (10) erzeugten Bezugspunk­ te enthalten, und
• b) gleichzeitig Darstellen eines Bildes aus Bilddaten der ersten Serie und eines Bildes aus Bilddaten der zweiten Serie, die beide den gleichen Körperabschnitt zeigen, wobei die Bild­ daten für diese Bilder unter Bezugnahme auf die Markierungen, die die verwendeten Markierungselemente (10) erzeugt haben, bereitgestellt werden.

6. Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt b) die Bilddaten durch Umformatierung bereitgestellt werden, so daß die Bilder der zweiten Serie in ihrer räumli­ chen Lage jeweils einem Bild der ersten Serie entsprechen und jeweils eine Darstellung wiedergeben, die mit der Darstellung des entsprechenden Bildes der ersten Serie vergleichbar ist.

7. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Umformatieren eine Rotation und/oder eine Translation beinhal­ tet.

8. Verwendung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Umformatieren eine Interpolation der Bilddaten bein­ haltet.

9. Verwendung nach Anspruch 4 zum Lokalisieren eines Zieles im Bereich des Körperabschnittes innerhalb des körperfesten, durch die Markierelemente (10) festgelegten Koordinatensy­ stems, wobei zusätzlich zu dem körperfest festgelegten inneren Koordinatensystem ein äußeres Koordinatensystem festgelegt wird, dessen relative Lage zu dem inneren Koordinatensystem bestimmt wird, und wobei die Lage des Ziels in dem äußeren Koordinatensystem bestimmt wird.

10. Verwendung nach Anspruch 9, wobei die relative Lage des äußeren Koordinatensystem zum inneren Koordinatensystem mit­ tels eines Roboterarms bestimmt wird, dessen jeweilige Lage im äußeren Koordinatensystem bekannt ist, indem der Roboterarm mit den Markierelementen (10) in Berührung gebracht wird.

11. Verwendung nach Anspruch 9 oder 10, wobei zum Lokalisieren eines Markierelements (10) der Schwerpunkt seines Markierab­ schnittes bestimmt und als Bezugspunkt verwendet wird.

12. Verfahren zum Bereitstellen einer (zweiten) Serie paralle­ ler Schnittbilddarstellungen eines inneren Abschnittes des menschlichen Körpers aus entsprechenden (zweiten) Schnittbil­ daufnahmen als Vergleichsdarstellungen zu und unter Verwendung von einer zu einem früheren Zeitpunkt aufgenommenen, im Speicher eines Datenverarbeitungsgerätes abgelegten und auf einem Wiedergabegerät darstellbaren ersten Serie entsprechen­ der erster Schnittbildaufnahmen des betreffenden Körperab­ schnittes, wobei jede Serie drei Bezugspunkte aufweist, die durch Markierelemente erzeugt worden sind, wobei die drei Be­ zugspunkte eine Bezugsebene definieren, zu welcher nach Er­ stellung der ersten Schnittbildaufnahmen ein in Bezug auf den betreffenden Körper ortsfestes, räumliches Koordinatensystem festgelegt worden ist, das durch die vor Erstellung der ersten Schnittbildaufnahmen im Bereich des betreffenden Körperab­ schnittes befestigten Markierelemente definiert wird, und wobei die Koordinaten der Schnittbildaufnahmen in diesem Koor­ dinatensystem ermittelt und den gespeicherten Schnittbildauf­ nahmen zugeordnet worden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einem späteren Zeitpunkt als die ersten Schnittbildaufnah­ men aufgenommenen zweiten Schnittbildaufnahmen vor ihrer Dar­ stellung den ersten Schnittbildaufnahmen derart angepaßt wer­ den, daß sie jeweils eine Darstellung in einer räumlichen Lage wiedergeben, welche der räumlichen Lage einer entsprechenden ersten Schnittbildaufnahme entspricht, indem die Bilddaten der zweiten Serie unter Verwendung der von den Markierelementen (10) erzeugten Markierungen unter Bezugnahme auf das bei Auf­ nahme der ersten Serie festgelegte körperfeste Koordinatensys­ tem umformatiert werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß daß Umformatieren eine Rotation und/oder eine Translation beinhaltet.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeich­ net, daß das Umformatieren eine Interpolation der Bilddaten beinhaltet.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berücksichtigung von räumlichen Verdrehungen des Koordi­ natensystems bei Aufnahme der zweiten Serie in Relation zu seiner räumlichen Lage bei Aufnahme der ersten Serie die Euler'schen Winkel zwischen den Achsen des Koordinatensystems in seinen räumlichen Lagen bestimmt werden.